O que é NVMe?

As SSDs NVMe são capazes de fornecer tempos de resposta mais rápidos do que as unidades de disco rígido (HDDs) tradicionais devido a alterações no driver do dispositivo que permitem paralelismo e polling. Esses aprimoramentos ajudam a reduzir a latência e os tornam ideais para cargas de trabalho corporativas, bem como para várias aplicações profissionais e de consumo.

SSDs são dispositivos de armazenamento baseados em semicondutores que utilizam memória flash para armazenar dados persistentes em sistemas de computadores. Em um SSD, cada chip de memória é composto por blocos que contêm células de memória (também conhecidas como páginas ou setores) que armazenam bits de memória. Diferente do armazenamento magnético, como HDDs e unidades de disquete que armazenam dados usando ímãs, os SSDs utilizam chips NAND, uma tecnologia de armazenamento não volátil que não requer energia para manter seus dados.

Enquanto os HDDs possuem latência e tempo de acesso inerentes causados pela rotação de seus pratos e pelo movimento das cabeças de leitura/gravação, os SSDs não possuem partes móveis, o que os torna muito mais rápidos. Os SSDs estão superando os HDDs como padrão preferido do setor para cargas de trabalho de dados estruturados.

O NVMe foi desenvolvido entre 2008 e 2011 para substituir os protocolos Serial Advanced Technology Attachment (SATA) e Serial Attached SCSI (SAS). As melhorias do NVMe em latência e desempenho em relação aos concorrentes contribuíram para o desenvolvimento de outras tecnologias importantes, incluindo a Internet das Coisas (IoT), a inteligência artificial (IA) e o aprendizado de máquina (ML).

Hoje, os usuários exigem tempos de resposta mais rápidos do que nunca de suas aplicações. O protocolo NVMe foi construído para fornecer uma experiência de próxima geração, com alto desempenho, alta largura de banda e baixa latência, independentemente do tipo de aplicação em uso. Os SSDs NVMe acessam o armazenamento flash principalmente através de um barramento Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), eliminando a necessidade de um "controlador intermediário" e reduzindo a latência. No entanto, as NVMe também podem operar em qualquer tipo de interconexão de "estrutura", como Fibre Channel e Ethernet, e, dentro da Ethernet, em iWarp, RoCEv2, iSER e NVMe-TCP.

SSDs NVMe podem executar dezenas de milhares de filas de comandos paralelos e rodar programas em velocidades mais rápidas do que unidades conectadas por meio do protocolo SCSI, que só podem operar com uma única fila de comandos. O método de conexão é independente do protocolo; por exemplo, o NVMe PCIe pode conectar uma única unidade via um link PCIe executando o protocolo NVMe.

O NVMe foi projetado para mídias de armazenamento não voláteis e de alto desempenho, sendo ideal para ambientes exigentes e intensivos em computação, como softwares de edição gráfica, ambientes de computação em nuvem, firmware e grandes bancos de dados. O NVMe lida com cargas de trabalho corporativos de forma rápida e eficiente, com menor infraestrutura e menor consumo de energia em comparação ao SCSI.

Enquanto os HDDs eram o método preferido da indústria para armazenar e acessar dados, SATA e SAS eram soluções apropriadas. Ambas as tecnologias foram projetadas como interfaces de armazenamento SCSI para facilitar a transferência de dados entre HDDs e sistemas computacionais. O SAS conecta um único drive a uma porta SAS rodando o protocolo SCSI, que depois conecta ao PCIe. O SATA conecta um drive a uma porta SATA rodando o protocolo ATA, também via PCIe.

Até recentemente, a maioria dos SSDs utilizava SAS ou SATA para se conectar aos sistemas. No entanto, com o crescimento da tecnologia de estado sólido, SAS e SATA se tornaram opções menos adequadas, pois foram originalmente pensadas para HDDs. Segundo um relatório da IDC de 2023, o NVMe foi projetado para acelerar a transferência de dados em sistemas conectados via PCI Express, um barramento de expansão serial padrão para conexão de computadores a dispositivos periféricos.

Além de ser desenvolvido especificamente para SSDs, o protocolo NVMe é mais enxuto do que o SCSI, sendo uma solução melhor para aplicações em tempo real, como ML e IA. Com o aumento da popularidade da computação em nuvem, o NVMe também está bem posicionado para suportar ambientes de nuvem híbrida, multinuvem e armazenamento em mainframe, graças ao seu alto desempenho e proteção de dados integrados.

Aqui estão alguns dos benefícios de usar armazenamento NVMe em vez de unidades SAS ou SATA:

Melhor desempenho: a tecnologia NVMe pode usar PCIe para conectar o armazenamento SSD diretamente a um servidor ou CPU. Essa melhoria de desempenho tornou o NVMe a opção preferida para armazenamento/transferência de dados para gamers, editores de vídeo e outros usuários que precisam de desempenho superior ao que SAS ou HDDs SATA oferecem.

Maior velocidade: as unidades NVMe podem oferecer velocidades superiores às unidades SAS ou SATA, pois conseguem enviar e receber comandos NVMe mais rapidamente e proporcionar uma taxa de transferência melhor.

Maior compatibilidade: o NVMe é amplamente considerado uma opção mais compatível do que SAS/SATA e é atualizado frequentemente para acompanhar tecnologias críticas e em rápido desenvolvimento, como IA, ML e computação em nuvem. A tecnologia NVMe funciona perfeitamente com todos os sistemas operacionais modernos, incluindo smartphones, notebooks e consoles de jogos.

Largura de banda aprimorada: a conexão PCIe é mais ampla e possui maior largura de banda do que as portas SAS ou SATA. Além disso, ela melhora a cada nova geração, dobrando a largura de banda em relação à geração anterior. SAS e SATA possuem conexões de largura de banda mais baixa e fixas, ou seja, não melhoram com o tempo. Outra característica que diferencia as conexões PCIe é a escalabilidade em "faixas" (lanes), permitindo que, mesmo dentro da mesma geração, os usuários dobrem a largura de banda aumentando o número de faixas.

Para uma análise detalhada de NVMe e SATA, consulte "NVMe versus SATA: qual é a diferença?".

Até o surgimento dos SSDs e do armazenamento flash, o SATA era usado em todos os sistemas de armazenamento baseados em HDD. No entanto, com o aumento de aplicações móveis, videogames e novas tecnologias como IA, as limitações do SATA tornaram-se evidentes, principalmente sua baixa velocidade e largura de banda, que começaram a prejudicar a transferência de grandes volumes de dados.

O NVMe foi desenvolvido como uma opção superior de armazenamento/transferência de dados em comparação ao SATA para SSDs, em ambientes onde grandes transferências de dados eram necessárias sem desacelerar os tempos de processamento. O NVMe permite que os SSDs se conectem diretamente à CPU usando o barramento PCIe e um adaptador M.2 ou U.2 — da mesma forma que ocorre com um drive SATA. O NVMe possibilita que os SSDs se conectem diretamente à CPU,  leiam e gravem grandes volumes de dados com rapidez.

Para alcançar um desempenho mais elevado, o NVMe define uma interface de registro, um conjunto de comandos e um conjunto de recursos para SSDs baseados em PCIe. Uma vez conectado através do barramento PCIe, o protocolo NVMe facilita uma latência mais baixa e ajuda a otimizar as operações de input/output por segundo (IOPS).

Os drivers NVMe oferecem suporte a vários tipos de sistemas operacionais (OS), incluindo Windows, Linux e MacOS. Além disso, o protocolo NVMe é compatível com todos os tipos de NVM, incluindo SSDs habilitados com memória flash NAND. Por fim, o NVMe utiliza filas de comando paralelas e um "polling loop" em vez do driver de dispositivo baseado em "interrupção" de seus predecessores, reduzindo a latência e a sobrecarga do sistema, além de ajudar a evitar gargalos na CPU — como quando uma placa de vídeo opera mais rápido que a CPU subjacente.

Fatores de forma de SSDs NVMe

Outro diferencial importante das especificações NVMe é seu fator de forma (form factor), ou seja, como o tamanho, a configuração e o design físico impactam sua compatibilidade com outros dispositivos. Recentemente, a Storage Networking Industry Association (SNIA) criou o Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF) para estabelecer um padrão de mercado para a tecnologia de SSDs.

O fator de forma padrão acordado para SSDs foi de 2,5 polegadas, o que se encaixa facilmente no compartimento de discos da maioria dos notebooks e desktops, tornando os NVMe SSDs altamente compatíveis com a tecnologia existente. Como o drive de 2,5 polegadas é amplamente usado em ambientes computacionais comerciais e de consumo, substituir um HDD por um SSD NVMe é simples para quem deseja melhorar o desempenho do sistema.

Unidades m.2 NVMe

Os SSDs M.2 são outro fator de forma físico ou conector utilizado em SSDs. Embora o termo seja frequentemente usado de forma intercambiável com NVMe, eles são tecnologias de armazenamento diferentes. Enquanto os SSDs NVMe se conectam a um slot PCIe na placa-mãe, oferecendo taxas de transferência de dados muito superiores às de seus concorrentes, os drives M.2 são um fator de forma físico, ou conector, que possibilita armazenamento de alto desempenho em dispositivos pequenos e com restrição de energia, como notebooks ultrafinos e tablets.

NVMe e memória dinâmica de acesso aleatório

Memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) é um tipo amplamente utilizado de memória RAM em computadores pessoais (PCs), servidores e estações de trabalho. Os SSDs NVMe estão disponíveis nas versões com DRAM e sem DRAM. Os SSDs NVMe com DRAM são mais caros e rápidos que os modelos sem DRAM, sendo melhores para aplicações gráficas intensivas, como softwares de edição de fotos ou vídeos. Já os NVMes sem DRAM são mais acessíveis e lentos, mas ainda assim muito mais rápidos do que HDDs ou SSDs SATA, tornando-se boas opções para usuários que não necessitam de tanta velocidade ou desempenho.

A baixa latência, os baixos requisitos de energia e a capacidade de armazenamento e transferência de dados mais rápida que os drives SAS e SATA tornam o NVMe uma escolha tanto para usos corporativos quanto para consumidores. Além de aumentar o desempenho e a capacidade de armazenamento de dados, os NVMe SSDs estão mais amplamente disponíveis do que SSDs SAS ou SATA e podem ser adquiridos de empresas de renome, como Intel e Samsung. Aqui estão alguns casos de uso comuns de NVMe: